CN103763298A - 一种基于apsk星座映射的编码调制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于APSK星座映射的编码调制方法及系统，包括：对待传的信息比特进行信道编码得到编码比特；对所述编码比特进行比特映射得到映射比特；对所述映射比特进行APSK星座映射得到APSK星座映射符号，并发送至后续处理单元；所述APSK星座映射阶数为M＝２^m，呈同心圆环状，每个环上的点数相等且均为2的幂次方，即相当于一个

环数

其中m₁+m₂＝m,m₁、m₂和m均为正整数，每个星座符号由一个长m的比特向量映射得到，其中m₂个比特决定环的位置，环与环之间的比特构成格雷映射。采用本发明的APSK星座映射的编码调制方法的系统其性能在目标信噪比和目标信道下优于采用常规的均匀APSK星座映射的编码调制系统。

Description

一种基于APSK星座映射的编码调制方法及系统

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，尤其涉及一种基于APSK星座映射的编码调制方法及系统。

背景技术

数字通信系统相比于模拟通信系统能更可靠地传输更高速率的信息。将信道编码技术与数字调制技术结合而成的编码调制（CodedModulation，CM）技术是数字通信系统的核心技术之一，是提高数字信息的传输可靠性和传输效率的重要手段。为了适应数字信息在常见信道下的传输需求，实现高效可靠的信息传输，设计高性能的编码调制技术至关重要。

对于典型的数字通信系统，星座映射是数字调制的关键技术之一。星座映射是指将携带信息的比特序列按照特定的星座映射方案映射成为适于信道传输的符号。符号的取值空间可以是一维实数空间、二维实数空间或更高维的实数空间。星座映射包含星座图和星座映射方式两个基本要素。星座图是星座映射生成符号的所有可能取值（即星座点）的集合，星座映射方式是输入比特序列到星座点的映射关系。

根据信息论知识，在加性白高斯噪声（Additive White GaussianNoise，AWGN）信道下，当发送功率受限时，只有当信道输入分布服从高斯分布时，系统才能达到信道容量。然而，在实际的数字通信系统中，输入信号受到星座图集合的约束，不服从高斯分布，实际系统的信息传输速率与信道容量之间存在差距，这个差距也被称为Shaping损失。构造一个切实可靠的星座映射的重要准则，其关键在于使得在给定频谱效率或信噪比目标的条件下，星座映射限制下的编码调制系统的信息传输速率上限与信道容量极限之间的差距尽量小。

当输入信号受到星座图集合χ限制时，信道输入信号X与信道输出Y的平均互信息,称为编码调制的平均互信息（average mutualinformation of coded-modulation，CM-AMI）,是实际编码调制系统所能达到的传输速率上限，可以由以下公式计算得到：

其中χ表示星座映射符号集合，m＝log₂|χ|，M＝|χ|表示星座集合的大小，

表示取均值。

在实际应用中，很多系统采用的是独立解映射的接收方案，独立解映射会造成编码调制系统性能的损失，此时信道输入信号与输出信号之间的平均互信息称为BICM-AMI，是采用独立解映射的编码调制方案所能达到的传输速率上限，其计算公式为：

其中

表示第i比特为b的星座映射符号子集合。本发明中所述星座映射构造的准则，就是使得星座映射限制下的系统在目标信噪比和目标信道下具有尽可能大的BICM-AMI。

高阶星座映射是提高数字通信系统的频谱效率的重要手段之一。早期的星座图设计中，通常认为星座点之间的最小欧式距离越大，星座图性能越好，根据这一准则，实际系统常用的高阶星座映射是具有格雷映射的均匀正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）星座图，简称Gray-QAM。然而，均匀Gray-QAM星座图约束下的信息传输速率与信道容量极限之间存在较大的差距，在高频谱效率下可达1.53dB。相比传统的均匀Gray-QAM星座图，使得星座限制下的输出更逼近高斯分布的技术称为Shaping技术，由此带来的增益称为Shaping增益。一个重要且常用的Shaping技术是非均匀Shaping技术，通过令星座图呈现非均匀特征，使得经过星座映射后的信道输入信号更接近高斯分布，参见文献F.-W.Sun and H.C.A.van Tilborg,“Approaching capacity by equiprobable signaling on the GaussianChannel,”IEEE Trans.Inform.Theory,vol.39,no.5,pp.1714-1716,Sept.1993.

利用非均匀星座图Shaping技术，Liu和Xie等基于最大互信息准则，提出了一种具有格雷映射的均匀幅度相移键控（Amplitude-Phase ShiftKeying，APSK）的星座图，简称Gray-APSK，参照Z.Liu,Q.Xie,K.Peng,and Z.Yang,“APSK constellation with Gray mapping,”IEEE Commun.Letters,vol.15,no.2,pp.1271-1273,2011。Gray-APSK中，一个M阶的APSK星座图由R个同心环组成，每个环上的星座点数相等且为2的整数次幂，每个环上的星座点在相位上均匀分布。星座映射时，长为log₂M的比特向量被映射到一个星座点，比特向量中的部分比特只与相位有关，对应一个格雷映射的相移键控（Phase Shift Keying，PSK），其余比特只与幅度有关，对应一个格雷映射的非均匀脉冲幅度调制（PulseAmplitude Modulation，PAM）。相比传统的Gray-QAM，Gray-APSK在AWGN信道和衰落信道下，在常用码率时都有着更高的CM-AMI和BICM-AMI，即无论是在采用独立解映射还是迭代解映射的编码调制系统中都具有更好的性能。

由于APSK的同心圆环结构，其性能受到各环上的星座点分布和各环半径的影响。Gray-APSK中，每个环上的星座点在相位上均匀分布，相当于一个均匀的Gray-PSK。但值得注意的是，对于PSK星座映射，应用非均匀Shaping技术，即使得环上的点在相位上呈现非均匀分布的特征，得到的非均匀的PSK星座映射可具有更高的BICM-AMI。针对常用目标信噪比值、基于最大互信息准则设计的PSK星座映射，星座点在相位上呈现非均匀特征，这种非均匀特征在低信噪比时尤为明显。参见文献M.F.Barsoum,C.Jones,and M.Fitz,“ConstellationDesign via Capacity Maximization,”in Proc.ISIT,pp.1821-1825,Jun.2007.和I.M.Kim,S.S.Ghassemzadeh,V.Tarokh,“Optimizednonuniform PSK for multiclass traffic and its application to space-timeblock codes,”IEEE Transactions on Communications,vol.54,no.2,pp.364-373,2006.可以预见，在Gray-APSK中进一步应用非均匀Shaping技术，允许每个环上的星座点在相位上采用不同程度的非均匀分布，可以获得更高的BICM-AMI。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于APSK星座映射的编码调制方法，该方法基于非均匀APSK星座映射进行发送端编码调制，相对于采用常规的均匀APSK星座映射，当接收端采用独立解映射时，在目标信噪比和目标信道下能提供一定的Shaping增益，从而使得采用本发明中非均匀APSK星座映射的编码调制系统具有更优的性能。

（二）技术方案

本发明提供了一种基于APSK星座映射的编码调制方法，包括以下步骤：

B1：对待传的信息比特进行信道编码得到编码比特；

B2：对所述编码比特进行比特映射得到映射比特；

B3：对所述映射比特进行APSK星座映射得到APSK星座映射符号，并发送至后续处理单元；

所述APSK星座映射阶数为M＝2^m，呈同心圆环状，每个环上的点数相等且均为2的幂次方，即

相当于一个

环数

其中m₁+m₂＝m,m₁、m₂和m均为正整数，每个星座符号由一个长m的比特向量映射得到，其中m₂个比特决定环的位置，环与环之间的比特构成格雷映射。

优选地，所述方法中APSK星座映射方法具体包括：

S1.构造一个常规的采用格雷映射的均匀APSK星座映射，即均匀Gray-APSK星座映射；

S2.调整所述Gray-APSK星座映射中各环上的星座点的相位调制因子和各环的半径得到非均匀APSK星座映射。

优选地，所述常规的采用格雷映射的均匀APSK星座映射的阶数为M＝2^m，呈同心圆环状，每个环上的点数n_l相等且在相位方向上均匀分布，所有环上的相位偏移θ_l均相同，

环数

其中m₁+m₂＝m,m₁、m₂和m均为正整数，每个星座符号由一个m长的比特向量映射得到，其中m₁个比特只与相位有关，对应一个采用格雷映射的

m₂个比特只与幅度有关，对应一个采用格雷映射的 $2^{m_2}-\mathrm{PAM}.$

优选地，所述调整所述均匀Gray-APSK星座映射中各环上的星座点的相位调制因子和各环的半径得到非均匀APSK星座映射，具体包括：

获取目标信噪比和目标信道；

根据目标信噪比和目标信道设置第l环的相位调制因子为

半径为r_l，其中 $1\≤l{\≤2}^{m_2},$ 1≤k≤m₁，r₁≤r₂≤…≤r_R，根据相位调制因子和半径值，将第l环上从0°相位开始沿逆时针方向上的第i个星座点的幅度调整为r_l，相位增加

$1\≤i\≤2^{m_1},$ 其中

为向上取整。

优选地，所述非均匀APSK星座映射每个环上的点组成采用格雷映射的PSK星座映射，或，常规的均匀PSK星座映射，或，非均匀的PSK星座映射。

优选地，所述非均匀APSK星座映射的一个环上的两个或多个星座点同时出现在环上相同位置。

优选地，所述非均匀APSK星座映射中两个或多个环具有相同的半径。

优选地，所述步骤B1中，所述信道编码包括但不限于LDPC码；

所述步骤B2中，所述比特映射包括如下步骤：

对所述编码比特进行比特交织，得到交织比特；

对所述交织比特进行比特置换，得到映射比特；

所述比特置换具体为：将所述交织比特每N_s个归为一组，记为

调整每组内N_s个比特的顺序，得到映射比特组

对应关系为0≤i＜N_s，其中

称为比特置换图样；将所述映射比特组依次串行排列得到映射比特。

本发明还提供一种对应于权利要求1所述的发送端编码调制方法的接收端独立解映射的解调解码方法，包括步骤：

C1：结合信道状态信息对接收信号进行星座解映射得到解映射比特软信息；

C2：将所述解映射比特软信息进行比特逆映射，得到编码比特软信息；

C3：对所述编码比特软信息进行信道译码，得到原始信息比特的估计；

所述步骤C1中，所述接收信号对应于步骤B3所述的APSK星座映射符号；

所述步骤C2中的比特逆映射是步骤B2的比特映射的逆过程，进一步包括比特逆置换和比特解交织；如果省略步骤B2，则步骤C2也相应省略；

所述步骤C3中，所述信道译码采用软输入译码算法。

本发明还提供一种基于APSK星座映射的编码调制系统，包括：编码器模块、比特映射模块、APSK星座映射模块、以及控制模块；所述编码器模块、比特映射模块以及APSK星座映射模块均在控制模块的协调下，按照权利要求1的步骤Bl至B3完成相应的信号处理；

所述编码器模块用于对待传的信息比特进行信道编码得到编码比特；所述比特映射模块用于对所述编码比特进行比特映射得到映射比特；所述APSK星座映射模块用于对所述映射比特进行如权利要求2所述的APSK星座映射，得到APSK星座映射符号，并发送至后续处理单元；所述控制模块用于输入控制信息，所述控制信息包括：编码器的相关信息、比特映射的相关信息、以及APSK星座映射的相关信息。

（三）有益效果

本发明提供了一种基于APSK星座映射的编码调制方法及系统，所述方法的有益效果为：采用本发明提供的非均匀APSK星座映射的编码调制系统其性能在目标信噪比和目标信道下优于采用常规的均匀APSK星座映射的编码调制系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为针对12dB和AWGN信道优化得到的16PSK星座图；

图2为针对9dB和AWGN信道优化得到的16PSK星座图；

图3为针对3dB和AWGN信道优化得到的16PSK星座图；

图4为针对0dB和AWGN信道优化得到的16PSK星座图；

图5为常规的采用格雷映射的均匀64APSK星座图；

图6为针对2/3码率和AWGN信道优化得到的64APSK星座图；

图7为AWGN信道下，不同64APSK星座映射下的CM-AMI和BICM-AMI与信道容量的差距；

图8为常规的采用格雷映射的均匀256APSK星座图；

图9为针对2/3码率和AWGN信道优化得到的256APSK星座图；

图10为针对2/3码率和瑞利信道优化得到的256APSK星座图；

图11为本发明一种基于APSK星座映射的编码调制方法和一种接收端采用独立解映射的解调解码方法；

图12为实施例二所述的采用独立解映射的编码调制系统中，采用不同256APSK星座映射时的BER性能；

图13为实施例四所述一种基于APSK星座映射的编码调制系统的模块图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于APSK星座映射的编码调制方法及系统，结合附图及实施例详细说明如下。

本发明提供了一种基于APSK星座映射的编码调制方法，包括以下步骤：

对待传的信息比特进行信道编码得到编码比特；

对所述编码比特进行比特映射得到映射比特；

对所述映射比特进行APSK星座映射得到APSK星座映射符号，并发送至后续处理单元；

所述APSK星座映射阶数为M＝2^m，呈同心圆环状，每个环上的点数相等且均为2的幂次方，即

相当于一个

环数

其中m₁+m₂＝m，m₁、m₂和m均为正整数，每个星座符号由一个长m的比特向量映射得到，其中m₂个比特决定环的位置，环与环之间的比特构成格雷映射，所述格雷映射的方法具体包括：

构造一个常规的采用格雷映射的均匀APSK星座映射，即Gray-APSK星座映射；

调整所述均匀Gray-APSK星座映射中各环上的星座点的相位调制因子和各环的半径得到非均匀APSK星座映射。

优选地，所述常规的采用格雷映射的均匀APSK星座映射的阶数为M＝2^m，呈同心圆环状，每个环上的点数n_l相等且在相位方向上均匀分布，所有环上的相位偏移θ_l均相同，

环数

其中m₁+m₂＝m,m₁、m₂和m均为正整数，每个星座符号由一个m长的比特向量映射得到，其中m₁个比特只与相位有关，对应一个采用格雷映射的m₂个比特只与幅度有关，对应一个采用格雷映射的 $2^{m_2}-\mathrm{PAM}.$

优选地，所述调整所述均匀Gray-APSK星座映射中各环上的星座点的相位调制因子和各环的半径得到非均匀APSK星座映射，具体包括：

获取目标信噪比和目标信道；

根据目标信噪比和目标信道设置第l环的相位调制因子为

半径为r_l，其中 $1\≤l\≤2^{m_2},$ 1≤k≤m₁，

r₁≤r₂≤…≤r_R，根据相位调制因子和半径值，将第l环上从0°相位开始沿逆时针方向上的第i个星座点的幅度调整为r_l，相位增加

$1\≤i\≤2^{m_1},$ 其中

为向上取整。

优选地，所述非均匀APSK星座映射每个环上的点组成采用格雷映射的PSK星座映射，或，常规的均匀PSK星座映射，或，非均匀的PSK星座映射。

优选地，所述非均匀APSK星座映射的一个环上的两个或多个星座点同时出现在环上相同位置。

优选地，所述非均匀APSK星座映射中两个或多个环具有相同的半径。

优选地，所述步骤B1中，所述信道编码包括但不限于LDPC码；

所述步骤B2中，所述比特映射包括如下步骤：

对所述编码比特进行比特交织，得到交织比特；

对所述交织比特进行比特置换，得到映射比特；

所述比特置换具体为：将所述交织比特每N_s个归为一组，记为

调整每组内N_s个比特的顺序，得到映射比特组

对应关系为0≤i＜N_s，其中称为比特置换图样；将所述映射比特组依次串行排列得到映射比特。

本发明还提供一种基于发送端编码调制方法的接收端独立解映射的解调解码方法，包括步骤：

C1：结合信道状态信息对接收信号进行星座解映射得到解映射比特软信息；

C2：将所述解映射比特软信息进行比特逆映射，得到编码比特软信息；

C3：对所述编码比特软信息进行信道译码，得到原始信息比特的估计；

所述步骤C1中，所述接收信号对应于步骤B3所述的APSK星座映射符号；

所述步骤C2中的比特逆映射是步骤B2的比特映射的逆过程，进一步包括比特逆置换和比特解交织；如果省略步骤B2，则步骤C2也相应省略；

所述步骤C3中，所述信道译码采用软输入译码算法。

本发明中提供了一种基于APSK星座映射的星座映射方法，该星座映射在采用常规的采用格雷映射的均匀APSK星座映射（简称Gray-APSK）的基础上，针对目标信噪比（或目标码率）和目标信道，优化各环的相位调制因子和半径，得到不同阶数的非均匀APSK星座映射。该非均匀APSK星座映射每个环上均为采用格雷映射的PSK星座映射，或者是常规的均匀PSK星座映射，或者是非均匀的PSK星座映射。非均匀APSK星座映射的特点在于环上的星座点是不均匀分布的，两个或多个星座点出现在环上相同位置是非均匀的一个特例。非均匀APSK星座映射中两个或多个环也可以具有相同的半径。所述非均匀APSK星座映射在独立解映射的条件下，优于常规的均匀APSK星座映射。

实施例1

本实施例中给出了一种APSK星座映射方法。

传统的星座映射设计中，总是希望星座点之间的最小欧氏距离d_min最大化，因此在设计PSK星座映射时，通常令星座点在环上均匀分布。但实际上，在常规信噪比和低信噪比下，均匀分布的PSK星座映射不能保证具有较大的BICM-AMI，非均匀分布的PSK星座映射可能具有更大的BICM-AMI。与PSK类似，在常规的均匀Gray-APSK中，每个环上的星座点在环上均匀分布通常不是一种最优的设计方式，非均匀APSK星座映射可以具有更优的性能。特别地，APSK星座映射中，半径较小的环上的星座点具有的能量较低，即等效信噪比也较低，因而内环上的星座点非均匀分布预计能得到更大的Shaping增益。

本发明所提出的星座映射以采用格雷映射的均匀APSK星座映射（简称Gray-APSK）为基础，其映射阶数为M＝2^m，呈同心圆环状，环数

每个环上的点数n_l相等且

其中m₁+m₂＝m，m₁、m₂和m均为正整数，同一环上的星座点在相位方向均匀分布，所有环上的相位偏移均相同。在星座映射中，每个星座符号由一个长m的比特向量映射得到。令其中m₁个比特只与相位有关，这m₁个比特的不同组合对应一个采用格雷映射的其余m₂个比特只与幅度有关，这m₂个比特的不同组合对应一个采用格雷映射的

称某一m₁和m₂的组合的Gray-APSK星座映射为

基于均匀Gray-APSK，以最大化BICM-AMI为优化准则，可以根据目标信噪比（或目标码率）和目标信道优化各环上的星座点的相位调制因子和各环的半径，得到不同阶数的采用格雷映射的非均匀APSK星座映射，其具体优化方法如下：

构造一个采用格雷映射的均匀Gray-APSK星座映射，确定m₁、m₂参数及各环半径。

根据目标信噪比和目标信道，设置第l环的半径为r_l，相位调制因子为其中 $1\≤l\≤2^{m_2},$ 1≤k≤m₁，

r₁≤r₂≤…≤r_R。将均匀Gray-APSK星座映射的第l环上从0°相位开始沿逆时针方向上的第i个星座点的幅度调整为r_l，相位增加

$1\≤i\≤2^{m_1}.$ 其中为向上取整。基于均匀Gray-APSK的非均匀APSK星座映射设计方法，其关键在于相位调制因子

和半径r_l的确定。优选的参数应该使得对应星座映射限制下的BICM-AMI尽量大。

经过优化得到的APSK星座映射，其同一环上的星座点的分布可能是不均匀的，但由于相位调制因子限制为

优化后同一环上的星座点与其对应的相位相关比特之间的映射关系依然为格雷映射，因此优化后的APSK星座映射仍然具有格雷映射。值得注意的是，相位调整可能会使得该环上的两个或多个星座点重合，半径调整会使得两个或多个环重合。若两个或多个星座点重合，即两个或多个长m的比特向量映射到同一个位置的星座点，APSK星座映射的阶数将小于2^m，但在调制和解调时该APSK星座映射依然可以视作2^m阶星座映射，即可视为非均匀APSK星座映射的一个特例。

以16PSK为Gray-APSK的一个m₁＝4，m₂＝0的特例，针对不同的目标信噪比和AWGN信道，以最大化BICM-AMI为优化准则对16PSK进行优化。当目标信噪比SNR＝12dB时，优化后的星座映射如图1所示，为均匀16PSK星座映射。当目标信噪比SNR＝9dB时，优化后的星座映射如图2所示，为非均匀16PSK，环上的星座点依次两两分为一组，组内星座点之间的距离变小。当目标信噪比SNR＝3dB时，优化后的星座映射如图3所示，环上的星座点每2个出现在同一位置，此外星座点依次每4个分为一组，组内星座点间的距离减小，即退化成非均匀8PSK。当目标信噪比为SNR＝0dB时，优化后的星座映射如图4所示，环上的星座点每4个出现在同一位置，即退化成为QPSK。将星座点重合在环上相同位置视为非均匀的一个特例，可以看到：针对BICM-AMI进行优化得到的16PSK星座映射在目标信噪比较高时，星座点是均匀分布的；随着目标信噪比降低，星座点互相靠近甚至重合，形成非均匀的16PSK。无论是非均匀还是均匀的16PSK星座映射，都保持着格雷映射特征。

下表中列出了上述图1到图4中针对不同信噪比进行优化后的星座映射的相位调制因子值和在各信噪比下的BICM-AMI（表中未列出的相位调制因子值为零，环的半径值为r₁＝1）。可以看到针对某一目标信噪比进行优化的16PSK星座映射在该目标信噪比下的BICM-AMI（表中黑体标注）明显高于其他16PSK星座映射的BICM-AMI。

本实施例还给出一种针对特定码率和特定信道优化的APSK星座映射。先构造一个常规的采用格雷映射的均匀(16×4)64APSK，以使得BICM-AMI尽量大。基于此(16×4)64APSK，如图5所示，针对2/3码率和AWGN信道，以最大化BICM-AMI为准则，优化APSK星座映射。优化后的APSK星座映射的相位调制因子和半径参数如下表所示，表中各环半径已经经过功率归一化处理，未列出的相位调制因子值均等于零。

优化后的64APSK星座映射如图6所示，图中还绘制了相位均匀分布的参考线。由图中可见，各环上星座点非均匀分布，而且半径越小，环的非均匀特征越明显，最内环上的星座点两两靠近几乎互相重合。图7考察了针对2/3码率优化的64APSK星座映射限制下的CM-AMI、BICM-AMI与信道容量的差距。为了便于比较，均匀64Gray-APSK的CM-AMI和BICM-AMI也绘制于图中。可以看到，在AWGN信道下、2/3码率附近，从BICM-AMI的角度，优化后的非均匀64APSK相对于常规的均匀64Gray-APSK具有0.1dB的增益，而从CM-AMI的角度，优化后的非均匀64APSK与均匀64Gray-APSK的容量非常接近。

实施例2

本实施例基于常规采用格雷映射的均匀(32×8)256APSK即简称256Gray-APSK，如图8所示；以最大化BICM-AMI为目标，针对2/3码率和AWGN信道优化得到了非均匀的256APSK星座映射即简称256APSKa，如图9所示；针对2/3码率和瑞利信道优化得到了非均匀的256APSK星座映射即简称256APSKr，如图10所示。图8、9、10中还绘制了相位均匀分布的参考线。256Gray-APSK、256APSKa、256APSKr的相位调制因子和半径参数如下表所示，表中各环半径已经经过功率归一化处理，未列出的相位调制因子值均等于零。

本实施例给出一个采用本发明基于APSK星座映射的编码调制和解码解调方法。其中接收端采用独立解映射算法，如图11所示，所述编码调制和解调解码方法包括步骤：

发送端：

S201：对待传的信息比特进行信道编码，得到编码比特；

例如，采用中国地面数字电视传输标准演进方案DTMB-A中提出的LDPC编码，码率为2/3，码长为61440比特；

S202：对所述编码比特进行比特映射，得到映射比特；

所述步骤S202中，所述比特映射进一步包括如下步骤：

对所述编码比特进行比特交织，得到交织比特；对交织比特进行比特置换，得到映射比特。

本实施例中，所述比特交织采用行列交织，交织过程为：将1个交织块包含的比特按列写入到交织矩阵，然后按行读出，其中交织块大小为一个LDPC码的码长。例如，N_LDPC＝61４４０，交织列数Ｎ_c为一个星座映射符号包含的比特数，即N_c＝8，交织行数为N_r＝7680。

所述比特置换过程为：将交织比特每N_s个归为一组，记为

调整每组内N_s写个比特的顺序，调整之后得到映射比特组

对应关系为

0≤i＜N_s，其中

称为比特置换图样。将映射比特组依次串行排列得到映射比特流。

本实施例中，针对所述LDPC码和各256APSK星座映射，兼顾AWGN信道和瑞利信道下的性能，给每个星座图各设计了一组比特置换图样，其具体参数见下表：

S203：对所述映射比特进行APSK星座映射，得到星座映射符号，并发送至后续处理单元；

本实施例中，所述APSK星座映射分别采用256Gray-APSK、256APSKa和256APSKr。

接收端：

S204：结合信道状态信息，对接收信号进行星座解映射，得到解映射比特软信息；

其中，所述接收信号对应于S203中得到的APSK星座映射符号，解映射采用Log-MAP算法。

S205：将所述解映射比特软信息进行比特逆映射，得到编码比特软信息；

其中，所述比特逆映射是步骤S202中所述比特映射的逆过程，包括比特逆置换和比特解交织。

S206：对所述编码比特软信息进行信道译码，得到原始信息比特的估计。

例如，使用SPA和积迭代算法对步骤S205所得的编码比特软信息进行译码，得到原始信息比特的估计，最大迭代50次。

本实施例进一步通过计算机仿真得到了上述编码调制具体方案的误码性能，仿真信道为AWGN信道和独立瑞利信道，所得BER仿真结果如图12所示。在BER为10^-5时，AWGN信道下，采用256APSKa的性能优于采用均匀256Gray-APSK的性能大约0.15dB，优于采用256APSKr的性能大约0.1dB；瑞利信道下，采用256APSKa的性能比采用均匀256Gray-APSK的性能略优，采用256APSKr的性能优于采用均匀256Gray-APSK的性能大约0.05dB。可以看出，优化后的256APSKa和256APSKr比均匀256Gray-APSK无论在AWGN信道还是瑞利信道下都有增益，针对某一特定信道优化的APSK星座映射在该信道下具有最优的性能。

实施例3

本专利所提出的基于APSK星座映射的编码调制方法及系统，也可以用于多输入多输出（multiple-input multiple-output,MIMO）信道。

MIMO信道下，现有通信系统通常仍然采用QAM星座映射，即每一根发射天线都使用QAM星座映射独立进行调制，各个天线的星座映射可以相同也可以不同。容易想到，MIMO系统中也可以用APSK星座映射替换传统QAM星座映射，而本发明的非均匀APSK星座映射的设计方法自然可应用于MIMO系统。

考虑一个具有n_T个发射天线和n_R个接收天线的MIMO系统，信道模型可以表示为

$y=\sqrt{\frac{\mathrm{SNR}}{n_T}}\mathrm{Hx}+n---\left(3\right)$

其中

为发射信号矩阵，

为接收信号矩阵，

为信道响应矩阵，

表示加性高斯噪声。噪声n为标准高斯分布n_i，j～CN(0，1)，输入信号满足功率归一化条件

X^H表示矩阵的共轭转置。在接收端已知信道状态信息而发端未知的情况下，这也是广播信道的常见情况，系统采用均匀功率分配方案，MIMO信道容量为

$C={\log }_2\left(\det \right[I+\frac{\mathrm{SNR}}{n_T}{\mathrm{HH}}^H\left]\right)---\left(4\right)$

考虑平坦瑞利衰落的情况，即H的各个元素满足标准复高斯分布h_i，j～CN(0，1)，将（4）式对h_i，j取期望，即可得到MIMO信道的遍历容量。

上述信道容量只有在信道输入服从高斯分布的时候才能达到。在实际MIMO系统中，受星座图的限制，信道的输入不服从高斯分布，因而系统不能达到上述信道容量。与单天线系统类似，发射符号和接收符号之间的平均互信息（CM-AMI）成为了系统能够传输的最大速率，注意，此时发射符号X和接收符号y均为复数向量，CM-AMI可以通过下式计算得到

其中，m＝log₂|χ|，χ是MIMO系统的多维星座图集合，等于各个发射天线上星座图集合的笛卡尔积，即

χ_i代表第i个天线上的星座图集合。在实际应用中，很多系统采用的是独立解映射的接收方案，独立解映射会造成编码调制系统性能的损失，此时可以把解映射看作等效信道的一部分，信道输入与解映射输出之间的平均互信息称为BICM-AMI，这是采用独立解映射的编码调制方案所能达到的最大传输速率，其计算公式为：

其中，

代表第i个比特为b∈{0，1}的星座符号子集。

此外，本专利所提出的基于APSK星座映射的编码调制方法，也可以用于基于比特级物理层子信道的多业务传输系统中。系统以比特为最小划分单元将物理层信道分割为比特级的物理层子信道来携载多业务信息，以灵活地满足多个业务的需求。每个星座映射符号内的多个比特可以被分配到不同的物理层子信道，在不同的信道条件和信噪比下传输。在针对所述基于比特级物理层子信道的多业务传输系统优化APSK星座映射时，应同时考虑到多种目标信道和目标信噪比。实施例4

基于本发明提出的格雷映射的APSK星座映射方法及其实例，依据本发明提出的基于APSK星座映射的编码调制方法，本发明提供一种发送端基于APSK星座映射的编码调制系统，如图13所示，包括：

本发明还提供一种基于APSK星座映射的编码调制系统，包括：编码器模块、比特映射模块、APSK星座映射模块、以及控制模块；

所述编码器模块、比特映射模块以及APSK星座映射模块均在控制模块的协调下，按照本发明的步骤Bl至B3完成相应的信号处理；

所述编码器模块用于对待传的信息比特进行信道编码得到编码比特；

所述比特映射模块用于对所述编码比特进行比特映射得到映射比特；

所述APSK星座映射模块用于对所述映射比特进行APSK星座映射，得到APSK星座映射符号，并发送至后续处理单元；

所述控制模块用于输入控制信息，所述控制信息包括：编码器的相关信息、比特映射的相关信息、以及APSK星座映射的相关信息。

本发明提供了一种基于APSK星座映射的编码调制方法及系统，所述方法的有益效果为：采用本发明提供的非均匀APSK星座映射的编码调制系统的性能在目标信噪比和目标信道下优于采用常规的均匀APSK星座映射的编码调制系统。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于APSK星座映射的编码调制方法，其特征在于，包括步骤：

B1：对待传的信息比特进行信道编码得到编码比特；

B2：对所述编码比特进行比特映射得到映射比特；

B3：对所述映射比特进行APSK星座映射得到APSK星座映射符号，并发送至后续处理单元；

所述APSK星座映射阶数为M＝2^m，呈同心圆环状，每个环上的点数相等且均为2的幂次方，即

相当于一个

环数

其中m₁+m₂＝m，m₁、m₂和m均为正整数，每个星座符号由一个长m的比特向量映射得到，其中m₂个比特决定环的位置，环与环之间的比特构成格雷映射。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中APSK星座映射方法具体包括：

S1.构造一个常规的采用格雷映射的均匀APSK星座映射，即均匀Gray-APSK星座映射；

S2.调整所述Gray-APSK星座映射中各环上的星座点的相位调制因子和各环的半径得到非均匀APSK星座映射。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述常规的采用格雷映射的均匀APSK星座映射的阶数为M＝2^m，呈同心圆环状，每个环上的点数n_l相等且在相位方向上均匀分布，所有环上的相位偏移θ_l均相同，环数其中m₁+m₂=m,m₁、m₂和m均为正整数，每个星座符号由一个m长的比特向量映射得到，其中m₁个比特只与相位有关，对应一个采用格雷映射的m₂个比特只与幅度有关，对应一个采用格雷映射的

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整所述均匀Gray-APSK星座映射中各环上的星座点的相位调制因子和各环的半径得到非均匀APSK星座映射，具体包括：

获取目标信噪比和目标信道；

根据目标信噪比和目标信道设置第l环的相位调制因子为

半径为r_l，其中 $1\≤l\≤2^{m_2},$ 1≤k≤m₁，

r₁≤r₂≤…≤r_R，根据相位调制因子和半径值，将第l环上从0°相位开始沿逆时针方向上的第i个星座点的幅度调整为r_l相位增加

$1\≤i\≤2^{m_1},$ 其中

为向上取整。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非均匀APSK星座映射每个环上的点组成采用格雷映射的PSK星座映射，或，常规的均匀PSK星座映射，或，非均匀的PSK星座映射。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非均匀APSK星座映射的一个环上的两个或多个星座点同时出现在环上相同位置。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非均匀APSK星座映射中两个或多个环具有相同的半径。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤B1中，所述信道编码包括但不限于LDPC码；

所述步骤B2中，所述比特映射包括如下步骤：

对所述编码比特进行比特交织，得到交织比特；

对所述交织比特进行比特置换，得到映射比特；

所述比特置换具体为：将所述交织比特每N_s个归为一组，记为调整每组内N_s片个比特的顺序，得到映射比特组

对应关系为

0≤i＜N_s，其中

称为比特置换图样；将所述映射比特组依次串行排列得到映射比特。

9.一种对应于权利要求1所述的编码调制方法的接收端独立解映射的解调解码方法，其特征在于，包括步骤：

C1：结合信道状态信息对接收信号进行星座解映射得到解映射比特软信息；

C2：将所述解映射比特软信息进行比特逆映射，得到编码比特软信息；

C3：对所述编码比特软信息进行信道译码，得到原始信息比特的估计；

所述步骤C1中，所述接收信号对应于步骤B3所述的APSK星座映射符号；

所述步骤C2中的比特逆映射是步骤B2的比特映射的逆过程，进一步包括比特逆置换和比特解交织；如果省略步骤B2，则步骤C2也相应省略；

所述步骤C3中，所述信道译码采用软输入译码算法。

10.一种基于APSK星座映射的编码调制系统，其特征在于，包括：编码器模块、比特映射模块、APSK星座映射模块、以及控制模块；所述编码器模块、比特映射模块以及APSK星座映射模块均在控制模块的协调下，按照权利要求1的步骤Bl至B3完成相应的信号处理；

所述编码器模块用于对待传的信息比特进行信道编码得到编码比特；所述比特映射模块用于对所述编码比特进行比特映射得到映射比特；所述APSK星座映射模块用于对所述映射比特进行如权利要求2所述的APSK星座映射，得到APSK星座映射符号，并发送至后续处理单元；所述控制模块用于输入控制信息，所述控制信息包括：编码器的相关信息、比特映射的相关信息、以及APSK星座映射的相关信息。

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